JP5794560B2

JP5794560B2 - 混合バリア型Ｎｂ３Ａｌ超電導線材

Info

Publication number: JP5794560B2
Application number: JP2011008007A
Authority: JP
Inventors: 信哉伴野; 孝夫竹内
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2031-01-18
Also published as: CN103329219B; US20130316909A1; JP2012150958A; WO2012099008A1; US9037203B2; CN103329219A

Description

本発明は、Ｎｂ_３Ａｌ多芯超電導線材に関するものである。更に詳しくは、Ｎｂ_３Ａｌ多芯超伝導線材において、中心コアに近いフィラメント領域に、延性の高いＮｂバリアフィラメントを集中配置し、外周部に磁気的結合抑制材であるＴａバリアのフィラメントとＮｂバリアフィラメントを分散配置することで、伸線加工性に優れ、かつ極低温環境下で誘発されるフィラメントの磁気的結合を抑制できる新しいＮｂ_３Ａｌ多芯線断面構造を提案する。

これまで急熱急冷法Ｎｂ_３Ａｌ多芯超伝導線材では、延性に優れかつ融点が２０００℃を超える高融点材料であるＮｂを、Ｎｂ_３Ａｌ超伝導フィラメントのバリア材として使用してきた。しかしながらＮｂは約９Ｋの臨界温度を有し、極低温環境下では超伝導性を示して、フィラメント同士の磁気的結合を誘発させていた。一方、その磁気的結合を抑制するために、超伝導性の低い同じく高融点材料であるＴａの使用が試みられてきたが、延性に劣り伸線加工時の断線リスクを高めていた。

急熱急冷法Ｎｂ_３Ａｌ線材は、その特殊な超高温熱処理のために、マトリクス材料としては延性のある高融点金属のＮｂもしくはＴａに限定される。その制限により断面構成は、図１に示されるようなＮｂの中心ダミーコアの周囲にＮｂバリアのＮｂ_３Ａｌ超伝導フィラメントが配置されたオールＮｂバリアフィラメント線材、もしくは、図２に示されるようなＮｂもしくはＴａの中心ダミーコアの周囲にＴａバリアのＮｂ_３Ａｌ超伝導フィラメントが配置されたオールＴａバリアフィラメント線材の２種類しかなかった。

しかしながらオールＮｂバリアフィラメント線材の場合には、加工性に優れている反面、Ｎｂの超伝導性により極低温環境下で使用した場合に、フィラメント同士が磁気的に結合するいわゆるフィラメント結合現象が生じる。そのために、極細多芯構造であるにもかかわらず、一本のバルク体のような振る舞いをし、磁化の増大に伴った磁束跳躍と呼ばれる不安定現象が生じ、さらに磁気ヒステレシス損失を増大させる原因にもなっていた。

そうしたＮｂの超伝導性に起因するフィラメント結合を抑制する新しい線材として、超伝導性が低く同じく高融点材料であるＴａをバリアとして用いた、オールＴａバリアフィラメント線材が開発されたが、この線材では、確かにフィラメント結合は抑制されるものの、伸線加工性がＮｂに比べて劣るために、今度は伸線加工時の断線リスクを高めるという問題点が新たに発生した。

これらを解決するためにＮｂバリアへの合金添加による常伝導化や、Ｔａバリア材として使用されるＴａ圧延シートの純度・焼鈍条件を操作してＴａマトリクスの伸線加工性を向上させることが検討されてきたが、いずれも十分な加工性が得られず、根本的な解決には至っていなかった。

特開２００２−３３０２５号公報特開２００５−８５５５５号公報

K. Tsuchiya, T. Takeuchi, N. Banno et al., "Study of Nb3Al Wires for High-field Accelerator Magnet Applications", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 20, pp. 1411-1414, 2010. N. Banno, T. Takeuchi et al., "Minimization of the hysteresis loss and low-field instability in technical Nb3Al conductors", Supercond. Sci, Technol., vol. 21, 115020 (7pp), 2008 T. Takeuchi, A. Kikuchi, N. Banno et al., "Status and perspective of the Nb3Al development", Cryogenics, vol. 48, pp. 371-380, 2008

本発明は、こうした問題を解決する画期的な断面構成について提案するものである。すなわち伸線加工性を維持しながら、かつフィラメントの磁気的結合を抑制した混合バリア型Ｎｂ_３Ａｌ線材について新たに提案する。

これまでの試作を通じ、伸線工程における線材の断線は、いわゆるセンターバーストと呼ばれる、変形応力の行き届きにくい中心付近を起点として発生することがわかってきた。つまり断線の起点が中心ダミーの周囲に集中する。特に、その現象はＴａバリアフィラメント線材に多く、Ｔａの伸線加工性の低さが主な原因と考えられていたが、これまで断面構成の断線へ与える影響については十分検討されてこなかった。

そうした背景の中で、中心ダミー周囲の断線リスクの高い領域に部分的にＮｂバリアフィラメントを集中配置し、更にその周囲のフィラメント領域には、フィラメントの磁気的結合を抑制するＴａバリアフィラメントとＮｂバリアフィラメントを分散配置することで、伸線加工性を維持し、同時にフィラメントの磁気的結合を抑制する新しい断面構成の発案に至った。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして第１に、Ｎｂバリアフィラメント、Ｔａバリアフィラメント、Ｎｂバルクダミーフィラメント、並びに、Ｎｂ又はＴａ外皮で構成され、Ｎｂバルクダミーフィラメント中心コア近傍のフィラメント領域に、Ｎｂバリアフィラメントを集中配置し、前記Ｎｂバリアフィラメントの外側より外皮内側までの領域を、Ｔａバリアフィラメント及びＮｂバリアフィラメントで充填されるＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材であって、ＮｂバリアフィラメントがＴａバリアフィラメントにより分散配置されていることを特徴とするＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材を提供する。

第２に、１本あるいは複数本のＮｂバリアフィラメントが、１本あるいは複数本のＴａバリアフィラメントにより分散配置されていることを特徴とするＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材提供する。

第３に、Ｎｂ_３Ａｌ超電導多芯線材のＮｂバリアフィラメントがＮｂシートとＡｌシートをジェリーロール状に巻きその周りにＮｂ層を設けて伸線加工を施したＮｂバリアフィラメントであることを特徴とするＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材を提供する。

第４に、Ｎｂ_３Ａｌ超電導多芯線材のＴａバリアフィラメントがＮｂシートとＡｌシートをジェリーロール状に巻きその周りにＴａ層を設けて伸線加工を施したＴａバリアフィラメントであることを特徴とするＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材を提供する。

第５に、Ｎｂ_３Ａｌ超電導多芯線材のＮｂバルクダミーフィラメントの断面占有率が３〜２０％、Ｎｂバリアフィラメント断面占有率が４〜４０％、外皮の断面占有率が５〜３０％、で、これら以外の断面がＮｂバリアフィラメントとＴａバリアフィラメントの分散領域で占有されることを特徴とするＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材を提供する。

第６に、前記の分散領域におけるＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材のＮｂバリアフィラメント断面占有率とＴａバリアフィラメント断面占有率の比が、０〜０．８の範囲にあることを特徴とするＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材を提供する。

本発明に係るＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材によれば、減面率９９％以上でも断線が生じず、優れた加工性を有するＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材が提供できる。

オールＮｂバリアフィラメント線材の断面構造を示す。オールＴａバリアフィラメント線材の断面構造を示す。混合バリア型線材構成例１の断面構造を示す。混合バリア型線材構成例２の断面構造を示す。混合バリア型線材構成例３の断面構造を示す。混合バリア型線材構成例４の断面構造を示す。オールＮｂバリアフィラメント線材と混合バリア型線材の磁化曲線の比較を示すものである。オールＮｂバリアフィラメント線材と混合バリア型線材の臨界電流密度特性の比較を示すものである。Ａｇ内部安定化Ｎｂ_３Ａｌ線材構成例の断面構造を示す写真である。Ｃｕ内部安定化Ｎｂ_３Ａｌ線材構成例の断面構造を示す写真である。

本発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
図３は、本発明の概念を示した線材断面構成図である。ＮｂシートとＡｌシートをジェリーロール状に巻きその周りにＮｂ層を設けて伸線加工により作製されたＮｂバリアフィラメント１、ＮｂシートとＡｌシートのジェリーロール芯の周りにＴａ層を設けて作製されたＴａバリアフィラメント２、及びＮｂバルクダミーフィラメント３の混合バリア型で構成される。

この混合バリア型構成において、伸線加工性を維持しフィラメントの磁気的結合抑制にも効果のある配置に対する、各領域の断面占積率は次のようである。すなわち、Ｎｂ中心ダミーの占積率は３％〜２０％、その周りに配置するＮｂバリアフィラメントの占積率は４〜４０％、外皮の占積率は５％〜３０％、残りがＴａバリアフィラメントおよびＮｂバリアフィラメント分散領域である。

このうちＮｂ中心ダミー領域では、その占積率が３％を下回ると、たとえフィラメント領域すべてにＮｂバリアフィラメントを使用したとしても、もはや十分な伸線加工性を確保できず、断線リスクが急激に増大する。そのため中心ダミー占積率は３％以上とすることが望ましい。また断線リスクの軽減は、占積率２０％以下で十分な効果がみられ、占積率がそれ以上になると、逆に線材内部における超伝導部の占積率がその分減少するために、優れた超伝導電流特性を維持することができない。従ってＮｂ中心ダミー占積率は２０％以下であることが望ましい。

また中心ダミー周囲に配置するＮｂバリアフィラメント領域では、その占積率が４％を下回ると、もはや中心ダミー周囲に十分なＮｂバリアフィラメントを配置することができなくなり、断線リスクが増大するものと予想される。従って中心ダミー周囲に配置するＮｂバリアフィラメントの占積率は、４％以上が望ましい。また占積率を４０％以上に増加させると、中心ダミー周囲のフィラメント結合する層の厚みが増大するため、混合バリア型構成の効果が十分に得られない。従って中心ダミー周囲に配置するＮｂバリアフィラメントの占積率は、４０％以下であることが望ましい。

さらに外皮に関しては、その占積率が５％を下回ると、伸線加工中に外皮が破れたり、急熱急冷処理をする際に２０００℃の高温下で十分な強度が保たれず、断線する可能性が高くなる。従って外皮の占積率は、５％以上であることが望ましい。また外皮の占積率は３０％以下で加工性や強度に十分な効果が見られ、逆に占積率が３０％を超えると、線材内部における超伝導部の占積率がその分減少するために、優れた超伝導電流特性を維持することができない。従って外皮の占積率は、３０％以下であることが望ましい。

その残りのフィラメント領域が、ＴａバリアフィラメントとＮｂバリアフィラメントを分散配置した領域であるが、その領域の中では、Ｎｂバリアフィラメントの占積率は０〜８０％であることが望ましい。このフィラメント領域では、断線リスクが小さく、仮にＮｂバリアフィラメントを配置せずにＴａバリアフィラメントのみを配置しても、すなわちＮｂバリアフィラメントの占積率を０％としても、十分な伸線加工性を維持できるものと予想される。またできる限り伸線加工性を向上させ、かつフィラメントの磁気的結合を抑制する効果を維持できるＮｂバリアフィラメントの混合領域における占積率は、８０％以下とする必要がある。それ以上になると、Ｎｂバリアフィラメント同士がフィラメント領域にわたって結合してしまい、もはやＴａバリアフィラメントでその結合を分離することはできなくなる。０〜８０％の範囲内で分散配置させる態様としては、図３の他に、たとえば図４〜６に示すような構成が考えられる。

また最終的なＮｂ_３Ａｌ超伝導線材の優れた電流特性を確保するために、ＮｂバリアフィラメントおよびＴａバリアフィラメントにおける芯部のＮｂ／Ａｌ比は原子比で２．３〜４とする。

＜実施例１＞
具体例として、図３で示すような総フィラメント数２４１本組みＮｂ_３Ａｌ多芯線材の試作伸線を実施した。本線材における中心Ｎｂダミーフィラメント本数は１９（占積率７％）、中心ダミー周囲のＮｂバリアフィラメント本数は３０（占積率１１％）、その周囲の混合領域におけるＴａバリアフィラメント本数は１４４、Ｎｂバリアフィラメント本数は４８（混合領域におけるＮｂバリアフィラメント占積率２５％）とした。また外周部のマトリクス外皮にはＴａ（占積率１３％）を使用した。Ｎｂバリアフィラメント及びＴａバリアフィラメント芯部におけるＮｂ／Ａｌ比は原子比で３とした。

より具体的な手順は次のとおりである。Ｎｂバリアフィラメント並びにＴａバリアフィラメントは従来技術であるいわゆるジェリーロール法によって作製して押出し、超鋼ダイスを用いて外径２ｍｍまで線引きした。得られたフィラメントとＮｂダミーフィラメントを図３のように配置し、その周囲に外皮としてＴａシートを数ターン巻いて、静水圧押出後、超鋼ダイスによる伸線加工により線材化した。このように伸線加工は従来技術のみで行うことが可能である。

この試作により、従来のオールＴａバリアフィラメント線材において減面加工率９５％で断線が始まったのに対し、本線材では減面率９９％以上でも断線が生じず、優れた加工性を有することが示された。

更に、Ｎｂ_３Ａｌ超伝導相を生成するため８００℃で１０時間の熱処理を行った後、本線材の効果を確かめるために、ＳＱＵＩＤによる磁化測定を行った。その結果図７に示されるように、フィラメントの磁気的結合によって磁化が増大したオールＮｂバリアフィラメント線材に比べて、格段に磁化を抑えられることが確認され、フィラメント結合の抑制にも効果があることが示された。オールＮｂバリアフィラメント線材において見られる低磁界側での突発的な磁化の増大は、フィラメントの磁気的結合現象の現れである。

この他、臨界電流特性については、図８に示されるように１５Ｔの磁界下において非銅部線材断面積あたりの値が７００Ａ／ｍｍ^２であり、従来線材と同等の性能を有していることが示された。

本発明における要点は、急熱急冷法Ｎｂ_３Ａｌ線材において、先に示したように伸線加工性を維持し、極低温下におけるバリア材を介したフィラメントの磁気的結合を抑制するということの２点である。より具体的には、高融点金属であるＮｂの優れた新線加工性を生かし、ＮｂをバリアとしたＮｂバリアフィラメントを中心ダミー周囲に重点的に配置することで伸線加工性を維持し、その外側のフィラメント領域では、Ｎｂバリアフィラメントが全体にわたって隣接することにより生じるフィラメントの磁気的結合を、Ｔａバリアフィラメントによって分離する。従って、その意図に合ったＮｂバリアフィラメント及びＴａバリアフィラメントの配置であれば、本発明に該当するものと思われる。配置の具体例としては、例えば図３〜６のようなものが考えられるが、これらに限定されるものではない。

急熱急冷法Ｎｂ_３Ａｌ線材の中には、図９や図１０に示されるように、ＮｂバリアフィラメントもしくはＴａバリアフィラメントの芯部がＮｂ／Ａｌ複合材ではなく、ＣｕやＡｇで埋められたフィラメントを配置したいわゆる内部安定化線材があるが、これらは線材の通電安定性の向上を意図したものであり、伸線加工性やフィラメント結合の抑制を解決する手段とはならない。従って本発明をこの内部安定化線材に適用することも可能である。具体的には、中心ダミー周囲にＮｂバリアフィラメントを重点配置している構造を有していれば、図９や図１０に示されるように中心ダミーにＴａやＮｂで被覆したＣｕあるいはＡｇフィラメントを配置しても構わない。同じようにＮｂバリアフィラメントとＴａバリアフィラメントの混合領域においても、ＴａやＮｂで被覆したＣｕあるいはＡｇフィラメントを配置しても構わない。

また実施例では、Ｎｂバリアフィラメント及びＴａバリアフィラメントをＮｂシートとＡｌシートを用いたいわゆるジェリーロール法で作製したが、Ｎｂ_３Ａｌ相を生成するにはＮｂとＡｌが微細な拡散対を形成していれば良い。そのような微細なＮｂ／Ａｌ拡散対を形成する方法として、例えばＮｂチューブとＡｌコアを用いたロッドインチューブ法、Ｎｂ粉末とＡｌ粉末の混合粉末を充填して作製するパウダーインチューブ法などを利用しても構わない。

もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部に付いては様々な態様が可能であることは言うまでもない。

本発明は従来の断線リスクの問題やフィラメントの磁気的結合の問題を一気に解決でき、超伝導特性も従来線材と同等以上の性能が得られる点から、従来技術に比べて優位性がある。具体的な応用先としては、２０Ｔ級の高分解能ＮＭＲ分析装置、核融合実証炉、高エネルギー粒子加速器などの大型高磁場マグネットなどがある。

１Ｎｂバリアフィラメント
２Ｔａバリアフィラメント
３Ｎｂバルクダミーフィラメント
４Ｎｂ又はＴａ外皮

Claims

Ｎｂバリアフィラメント、Ｔａバリアフィラメント、Ｎｂバルクダミーフィラメント、並びに、Ｎｂ又はＴａ外皮で構成され、Ｎｂバルクダミーフィラメント中心コア近傍のフィラメント領域に、Ｎｂバリアフィラメントを集中配置し、前記Ｎｂバリアフィラメントの外側より外皮内側までの領域を、Ｔａバリアフィラメント及びＮｂバリアフィラメントで充填されるＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材であって、ＮｂバリアフィラメントがＴａバリアフィラメントにより分散配置されていることを特徴とするＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材。
請求項１記載のＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材であって、１本あるいは複数本のＮｂバリアフィラメントが、１本あるいは複数本のＴａバリアフィラメントにより分散配置されていることを特徴とするＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材。
請求項１記載のＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材のＮｂバリアフィラメントがＮｂシートとＡｌシートをジェリーロール状に巻きその周りにＮｂ層を設けて伸線加工を施したＮｂバリアフィラメントであることを特徴とするＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材。
請求項１記載のＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材のＴａバリアフィラメントがＮｂシートとＡｌシートをジェリーロール状に巻きその周りにＴａ層を設けて伸線加工を施したＴａバリアフィラメントであることを特徴とするＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材。
請求項１記載のＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材のＮｂバルクダミーフィラメントの断面占有率が３〜２０％、Ｎｂバリアフィラメント断面占有率が４〜４０％、外皮の断面占有率が５〜３０％、で、これら以外の断面がＮｂバリアフィラメントとＴａバリアフィラメントの分散領域で占有されることを特徴とするＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材。
請求項５記載の分散領域においてＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材のＮｂバリアフィラメント断面占有率とＴａバリアフィラメント断面占有率の比が、０〜０．８の範囲にあることを特徴とするＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線材。